חוקרי הטכניון הצליחו לבנות בחיידק "אבן רוזטה ביולוגית"

80מקווים שבעתיד הדבר יאפשר לתרגם את "תוכנות ההפעלה" הקיימות בגנום; פועלים בתחום החדשני של ביולוגיה סינתטית ומאמינים כי יהיה ה"הי-טק של הביו-טק"

כתב העת המדעי היוקרתי Cell מדווח כי חוקרי הטכניון, בשיתוף פעולה עם חוקרים ב"קלטק",  הצליחו לבנות בחיידק "אבן רוזטה ביולוגית", בפתחם הבנה חדשה של קבוצה של אובייקטי בקרה הקרויים Enhancers בקרב חיידקים. מדובר ברצף על ה-DNA  שאינו גן, אליו מתחברים חלבונים (הוא עושה למעשה אינטגרציה לחלבונים רבים וכאשר הוא מגיע לאינטגרציה הנכונה, ורק אז – הגן יתבטא. הדבר מאפשר לחוקרים שליטה בביטוי הגן).

"אחת התגליות המרכזיות בביולוגיה בעידן הפוסט-גנומי היא ההבנה שהתרומה העיקרית לשוני בין אורגניזמים (למשל – בין עכבר לאדם) אינו נובע מגנים", מסביר ד"ר רועי עמית מהפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון, שהחל את מחקרו במסגרת בתר-דוקטורט ב"קלטק". "מקורו של השוני הזה באלגוריתם או תכנית, הקובעים מתי, היכן וכיצד יבוטא גן כלשהו. בשנים האחרונות מתחילה להתבהר תמונה חדשה של הגנום ובעקבותיה מודל שבו הגנום נתפס ככלי מורכב לאיחסון מידע ולהפצתו".

מטרת חוקרי הטכניון היא פיענוח ה"תכנית" המבקרת את התהליך ושימוש בידע זה לפיתוח יישומים רפואיים. "כדי לעשות זאת בכוונתנו ליצור את 'אבן הרוזטה' של הבקרה הגנטית (אבן רוֹזֵטָה היא סלע דיוריט מסוג גרנודיוריט שתודות לטקסט קדום שנחקק עליה בכמה שפות, אפשרה את פענוח הכתב ההירוגליפי)", אומר ד"ר עמית. "כלי זה יוכל לשמש ל'פריצות' לתכנית הבקרה של אורגניזמים ממשיים וכתוצאה מכך יאפשר לנו 'לכתוב' תוכניות חדשות שלא קיימות בטבע למטרות רפואיות, ישומים סביבתיים וכו'. ביולוגיה סינתטית היא ענף חדש במדעי החיים, המקדם את הגישה המכוננת/בונה. היא מבקשת לעשות שימוש ברכיבים ביולוגיים לכינון מערכות ביולוגיות חדשות שאינן קיימות בטבע. היא מאלצת אותנו לבחון באופן קונקרטי את הבנתנו, בכך שהיא מחייבת אותנו להשתמש במה שנדמה לנו שאנו מבינים ליצירת פונקציות ביולוגיות, היא מאפשרת לנו לשאול מדוע האבולוציה 'ננעלה' על דפוסים ספציפיים, לדמיין וליצור פונקציות ביולוגיות חדשות ומאלצת אותנו לעבוד באופן רב תחומי".

גישת החוקרים בביולוגיה סינתטית מתבססת על שימוש ברכיבים גנומיים מאופיינים ובסידורם יחד ( או ב"חיווטם" זה לזה) בארכיטקטורות חדשות. בשלב הבא הם מפתחים דפוסים המבוססים על מודלים תרמודינמיים ולבסוף מנתחים את הפלט באמצעות המודל שלהם. דבר זה מאפשר לחלץ עקרונות תכנון בסיסיים שבאמצעותם ניתן לתרגם את הארכיטקטורה ואת הרצף לאלגוריתמים ממוחשבים. "אם נצליח לכתוב רצף שנוכל לנבא את הפלט שלו על סמך כללים ממוחשבים שאיתרנו ב'אבן הרוזטה' – נוכל לאחר מכן להשתמש ב'מפתח' הזה לפענח רצפים מסויימים המופיעים בגנום", אומר ד"ר עמית.

במאמר ב-Cell מראים חוקרי הטכניון כי ביכולתם להשתמש בגישה זו לפיתוח הבנה חדשה של אובייקטי הבקרה (Enhancers) בקרב חיידקים. רצפים אלה שכיחים בכל היצורים החיים ויכולים להחשב אובייקטים מודולריים המסוגלים לעשות אינטגרציה של "אינפוטים" או אותות. ל-Enhancers של חיידקים יש ארכיטקטורה פשוטה יותר ולעיתים קל יותר לאפיין אותם. לכן בחרו חוקרי הטכניון לבדוק זאת בחיידקים. הם הראו אפשרות לבנות תכניות enhancers חדשניות לחיידקים, שהובילו למודל ביופיזיקלי של תכנית הבקרה, או ל"קוד מכונה". החוקרים מציינים כי סוג המיחשוב המתרחש בהקשר זה מזכיר הליכים חישוביים אנלוגיים, יותר מאשר תהליכים דיגיטליים. "אבן הרוזטה הזאת, בהקשר החיידקי, איפשרה לנו לנסח הבנה חדשה, או מודל איכותני, לדוגמאות רבות של enhancers בחיידקים בטבע, שרובם מעולם לא נותחו", מדגיש ד"ר עמית. "כעת נוכל להבין, לפחות באופן חלקי, כמה מהתכניות הטבעיות שעדיין לא פוענחו".

בתמונה: אבני הרוזטה